Учебник Теория вероятности - Самойленко, Кузнецов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ХАРЬКОВСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Н.И. Самойленко, А.И. Кузнецов, А.Б. Костенко

ТЕОРИЯ

ВЕРОЯТНОСТЕЙ

Рекомендовано Министерством образования и науки Украины в качестве учебника для студентов высших учебных заведений

Издательство «НТМТ»

Харьков – 2009

УДК 519.21 (075.8)	Самойленко М.І., Кузнєцов А.І., Костенко О.Б. Теорія
С17	ймовірностей: Підручник. – Х.: Видавництво «НТМТ»,
ББК 22.171я73	ХНАМГ, 2009. – 200 с. (рос. мовою).

Самойленко Н.И., Кузнецов А.И., Костенко А.Б. Теория вероятностей: Учебник. – Х.: Издательство

«НТМТ», ХНАГХ. – 2009. – 200 с.

Гриф выдан Министерством образования и науки Украины, решение № 1.4.18-Г-286 от 29 января 2008 г.

Рецензенты:

Мамалуй А.А., заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики Национального технического университета “ХПИ”, доктор физикоматематических наук, профессор.

Колосов А.И. заведующий кафедрой высшей математики Харьковской национальной академии городского хозяйства, доктор технических наук, профессор.

Левыкин В.М., заведующий кафедрой информационных управляющих систем Харьковского национального университета радиоэлектроники, доктор технических наук, профессор.

Учебник знакомит с основными понятиями и методами теории вероятностей. Приведенные методы иллюстрируются типовыми примерами. Каждая тема заканчивается практическим разделом для самостоятельного приобретения навыков по использованию методов теории вероятностей при решении стохастических задач.

Учебник снабжен двуязычной электронной версией, включающей динамические фрагменты представления сложного учебного материала и имеющей возможность постановки учебных экспериментов.

Для студентов высших учебных заведений. Табл.: 8. Ил.: 55. Библиограф. наименований: 15.

ISBN 978-966-8603-70-6

© ХНАГХ, Н.И.Самойленко, А.И.Кузнецов, А.Б.Костенко, 2009

Содержание

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	8
1. СЛУЧАЙНЫЕ СОБЫТИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	10
1.1. Классическое определение вероятности. . . . . . . . . . . . . . .	10

1.1.1.Необходимость и случайность . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.2.Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1.3.Классическое определение вероятности . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.Элементы комбинаторики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.1.Основные принципы комбинаторики . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.1.1. Правило сложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.1.2. Правило умножения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.2.Основные виды комбинаторных соединений . . . . . . . . . . . 18

1.2.2.1.Перестановки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.2.2.Размещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.2.3.Сочетания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.2.4.Полезные соотношения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.3.		Примеры комбинаторных задач . . . . . . . . . . . . . . . .		21
1.3.	Алгебра событий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .			22
1.3.1.		Пространство событий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		22
1.3.2.		Операции над событиями . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		24
	1.3.2.1.		Сумма событий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	25
	1.3.2.2.		Произведение событий . . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
1.3.3.		Свойства операций сложения и умножения . . . . . . . . . . .		26
1.4.	Практикум и вопросы для самоконтроля. . . . . . . . . . . . . . .			27

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕМЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.Основные теоремы теории вероятностей . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.1.Вероятность суммы событий . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.2.Полная группа событий и противоположные события . . . . . . . 36

2.1.3.Зависимые и независимые события . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.1.4.Условная вероятность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.5. Вероятность произведения событий . . . . . . . . . . . . . .	39
2.2. Модели надежности технических систем . . . . . . . . . . . . . .	41

3

Теория вероятностей

2.2.1.Надежность технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.2.Последовательное соединение элементов . . . . . . . . . . . . 43

2.2.3.Параллельное соединение элементов . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.4.		Смешанное соединение элементов . . . . . . . . . . . . . . .	46
2.3.	Практикум и вопросы для самоконтроля. . . . . . . . . . . . . . .		47
3. ПРИЛОЖЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕОРЕМ . . . . . . . . . . . . . . . .			50
3.1.	Алгебра гипотез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		50
3.1.1.		Формула полной вероятности . . . . . . . . . . . . . . . . .	50
3.1.2.		Формула Байеса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	53
3.1.3.		Надежность систем с мостовым соединением элементов . . . . . .	55
3.2.	Повторение опыта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		57
3.2.1.		Задачи на повторение независимых опытов. . . . . . . . . . . .	57
3.2.2.		Формула Бернулли. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	59

3.2.3.Локальная теорема Лапласа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.2.4.Интегральная теорема Лапласа . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.2.5.Наивероятнейшее число наступления событий . . . . . . . . . . 63

3.3. Практикум и вопросы для самоконтроля. . . . . . . . . . . . . . . 66

4. СЛУЧАЙНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	69
4.1. Формы задания дискретных случайных величин . . . . . . . . . . .	69
4.1.1. Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	69

4.1.2.Формы задания закона распределения дискретной случайной величины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1.2.1.Ряд распределения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1.2.2.Интегральная функция распределения . . . . . . . . . . . . 71

4.1.3.Пример построения закона распределения . . . . . . . . . . . . 72

4.1.4.Вероятность попадания случайной величины на заданный участок. . 74

4.2.Формы задания непрерывной случайной величины и её свойства . . . . 76

4.2.1.Интегральная функция распределения. . . . . . . . . . . . . . 76

4.2.2.Вероятность конкретного значения непрерывной случайной величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2.3.Плотность распределения вероятности . . . . . . . . . . . . . 78

4.2.4.Свойства плотности распределения вероятности . . . . . . . . . 79

4.2.5.Вероятность попадания непрерывной случайной величины на

заданный участок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

4.3.Числовые характеристики случайных величин . . . . . . . . . . . . 81

4.3.1.Характеристики положения случайной величины на числовой оси. . 81

4.3.1.1.Математическое ожидание. . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.3.1.2.Мода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.3.1.3.Медиана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.3.2.Моменты случайных величин . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.3.2.1.Начальные моменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.3.2.2. Центральные моменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.3.3.Свойства моментов случайных величин . . . . . . . . . . . . . 85

4.3.3.1.Первый начальный момент. . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4

Содержание

4.3.3.2.Первый центральный момент. . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.3.3.3.Второй начальный момент. . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.3.3.4.Второй центральный момент . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.3.3.5.Связь дисперсии с начальными моментами . . . . . . . . . . 88

4.3.4.Среднее квадратичное отклонение . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.3.5.Моменты высоких порядков . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.3.5.1.Третий центральный момент и коэффициент асимметрии. . . . 89

4.3.5.2.Четвертый центральный момент и величина эксцесс . . . . . . 90

4.4. Практикум и вопросы для самоконтроля. . . . . . . . . . . . . . . 91

5.ЧАСТНЫЕ ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.1.Законы распределения дискретных случайных величин . . . . . . . . 100

5.1.1.Биномиальный закон распределения . . . . . . . . . . . . . . 100

5.1.1.1.Общая характеристика биномиальной случайной величины . . . 100

5.1.1.2.Числовые характеристики биномиальной случайной величины . 101

5.1.2.Закон распределения Пуассона . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.1.2.1.Простейший поток событий . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.1.2.2.Общая характеристика пуассоновской случайной величины. . . 104

5.1.2.3.Числовые характеристики пуассоновской случайной величины . 106

5.1.2.4.Вероятность попадания пуассоновской случайной величины на

заданный участок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.2.Законы распределения непрерывных случайных величин . . . . . . . 108

5.2.1.Равномерный закон распределения . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.2.1.1.Общая характеристика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.2.1.2.Числовые характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.2.1.3.Вероятность попадания случайной величины на заданный участок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

5.2.2. Показательный закон распределения . . . . . . . . . . . . . . 112

5.2.2.1.Общая характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.2.2.2.Числовые характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.2.2.3.Вероятность попадания случайной величины на заданный участок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.2.3.Нормальный закон распределения . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.2.3.1.Общая характеристика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.2.3.2.Числовые характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.2.3.3.Вероятность попадания случайной величины на заданный участок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.2.3.4. Правило трех сигм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.3.Распределения, производные от нормального распределения . . . . . . 120

5.3.1.Распределение Пирсона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.3.2.Распределение Стьюдента. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.3.3. Распределение Фишера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	121
5.4. Практикум и вопросы для самоконтроля. . . . . . . . . . . . . . .	122

6.СЛУЧАЙНЫЕ ВЕКТОРЫ И ФУНКЦИИ СЛУЧАЙНЫХ АРГУМЕНТОВ . . 128

6.1.Случайные векторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5

Теория вероятностей

6.1.1.Интегральная функция распределения случайного вектора . . . . . 128

6.1.2.Вероятность попадания случайного вектора на заданный участок . . 130

6.1.3. Плотность распределения случайного вектора . . . . . . . . . . 131

6.1.4.Условные законы распределения . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.1.5.Числовые характеристики случайного вектора . . . . . . . . . . 133

6.2.Функции случайных аргументов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.2.1.Числовые характеристики функции случайных аргументов . . . . . 135

6.2.2.Теоремы о числовых характеристиках функции случайных аргументов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.2.3.Закон распределения функции случайных аргументов . . . . . . . 141

6.3. Практикум и вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . 143

7.ПРЕДЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕМЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.1.Закон больших чисел. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.1.1.	Теорема Бернулли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		146
7.1.2.	Закон больших чисел в форме Чебышева. . . . . . . . . . . . .		147
7.1.2.1.		Неравенство Чебышева . . . . . . . . . . . . . . . . . .	147
7.1.2.2.		Теорема Чебышева . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	147
7.1.2.3.		Проверка закона больших чисел . . . . . . . . . . . . . .	148

7.1.2.4.Сжатие распределения с ростом числа слагаемых . . . . . . . 150

7.2.Усиленный закон больших чисел. . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7.2.1.Теорема Бореля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7.2.2.Теорема Колмогорова. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

7.2.3.Основная теорема статистики . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

7.3.Центральная предельная теорема. . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

7.3.1.Содержание центральной предельной теоремы . . . . . . . . . . 156

7.3.2.Теорема Линдеберга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

7.3.3. Теорема Ляпунова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

7.3.4.Сумма одинаково распределенных случайных величин. . . . . . . 158

7.4.Практикум и вопросы для самоконтроля. . . . . . . . . . . . . . . 161

ОТВЕТЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ. СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ . . . . . . . . . . . 184

БИБЛИОГРАФИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 ПРИЛОЖЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Приложение А. Значения функции Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Приложение В. Значения функции Лапласа . . . . . . . . . . . . . . . 195 Приложение С. Математические формулы для справок. . . . . . . . . . . 196 Приложение D. Основные формулы дифференциального исчисления . . . . 197 Приложение E. Основные формулы интегрального исчисления . . . . . . . 198 Приложение G. Электронная версия учебника . . . . . . . . . . . . . . 199

6

Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник предназначен для студентов специальностей менеджмента и экономики высших учебных заведений дневной, заочной и дистанционной форм обучения, которые прослушали общий курс высшей математики.

Основная цель учебника – способствовать дальнейшему повышению уровня фундаментальной математической подготовки студентов, а также формированию у них теоретических знаний и практических навыков по использованию вероятностно-статистического аппарата для решения прикладных задач экономики и менеджмента.

Основной задачей изучения дисциплины является предоставление студентам сведений об основных понятиях, положениях, ключевых теоремах теории стохастических явлений и процессов, а также формирование умений:

выполнять качественный и количественный анализ случайных событий, случайных величин и систем таких величин;

использовать элементы дисперсионного анализа и теории корреляции в исследовании систем случайных величин;

включать результаты исследований в математические модели задач экономики и менеджмента.

Основная особенность учебника – наличие электронной версии, позволяющей студентам изучать «Теорию вероятностей» без непосредственного участия преподавателя. По мнению авторов, электронный учебник является доминирующим в процессе изучения дисциплины, поскольку предполагает использование элементов современных информационных технологий. Электронная версия учебника включает ряд динамических фрагментов, которые в процессе обучения предоставляют студенту возможность проводить учебные эксперименты, наблюдать процессы решения типовых задач и управлять ими, отслеживать решение многоэтапных задач по схеме алгоритма, строить графики и диаграммы, графически интерпретировать математические операции и пр. Гипертекстовая организация учебного материала, наличие гипертекстового словаря терминов, совмещенного с предметным указателем, возможность многократно воспроизводить динамические фрагменты и управлять ими делают электронный учебник более предпочтительным по сравнению с традиционным учебником. Но, чтобы избежать длительных сеансов работы с электронной версией дисциплины, последняя должна иметь традиционный вариант учебника. На любом этапе обучения у студента должна быть возможность выбора способа изучения дисциплины: с помощью персонального компьютера или без него. Поэтому данная книга является органическим дополнением электронного учебника в информационно-методическом обеспечении самостоятельного изучения дисциплины студентами любой формы обучения.

7

Теория вероятностей

В В Е Д Е Н И Е

Интенсивное развитие экономики страны непосредственно связано с использованием математической теории в прикладной сфере деятельности человека. Решающую роль в обеспечении высоко эффективной экономики должны сыграть специалисты, хорошо владеющие математическими методами и имеющие достаточный опыт их использования в решении практических задач. Теоретическая подготовка таких специалистов ложится на плечи высшей школы.

«Теория вероятностей» является прикладным разделом высшей математики. Это значит, что знания и умения, приобретаемые обучающимися в результате изучения курса, понадобятся им для решения конкретных задач в будущей профессиональной деятельности. Прикладная ориентация дисциплины не ограничивается только профессиональной деятельностью. Данная наука с успехом может и должна быть использована для решения задач, которые часто возникают в повседневной жизни – в быту и на работе. Особенно полезны знания по теории вероятностей при оценке выбора действий, способных привести к материальному выигрышу или потерям. Нельзя считать человека образованным, если он не может дать количественной оценки, например, целесообразности участия в той или иной денежно-вещевой лотерее, а тем более объяснить выбор принимаемого решения по оперативному управлению производством.

Методы теории вероятностей широко применяются в различных отраслях естествознания и техники:

•теории надежности;

•теории массового обслуживания;

•теоретической физике;

•геодезии;

•астрономии;

•теории стрельбы;

•теории ошибок наблюдений;

•теории автоматизированного управления;

•общей теории связи;

•медицинской и технической диагностиках;

•теории распознавания образов;

•радиолокационной технике;

8

Введение

•стохастическом программировании;

•во многих других теоретических и прикладных науках.

«Теория вероятностей» лежит в основе другой прикладной дисциплины – «Математической статистики», которая, в свою очередь, используются при планировании и организации производства, анализе технологических процессов, планово-предупредительном ремонте, контроле качества продукции и для многих других целей. «Математическая статистика» является органическим дополнением «Теории вероятностей».

Краткая историческая справка. Первые работы, в которых зарождались основные понятия «Теории вероятностей», представляли собой попытки создания теории азартных игр (Кардано, Гюйгенс, Паскаль,

Ферма и др. в XVI-XVII вв.).

Следующий этап развития «Теории вероятностей» связан с именем Якова Бернулли (1654-1705). Доказанная им теорема, получившая впоследствии название "Закона больших чисел", была первым теоретическим обоснованием накопленных ранее фактов.

Дальнейшими успехами «Теория вероятностей» обязана Муавру, Лапласу, Гауссу, Пуассону и др.

Новый период связан с именами П.Л.Чебышева (1821-1894) и его учеников А.А.Маркова и А.М.Ляпунова (1857-1918). В этот период «Теория вероятностей» становится стройной математической наукой.

Как своим зарождением, так и развитием «Теория вероятностей» во многом обязана азартным играм. Именно при анализе результатов азартных игр было замечено, что достаточно большое число однородных событий, независимо от их конкретной природы, подчинено определенным закономерностям. Установлением этих закономерностей и занимается «Теория вероятностей».

Предметом «Теории вероятностей» является изучение закономерностей, которым подчиняются однородные случайные явления.

Знание закономерностей, которым подчиняются случайные массовые события, позволяют предвидеть, как эти события будут протекать в дальнейшем.

В целом «Теория вероятностей и математическая статистика»

представляет собой математическую дисциплину, которая изучает количественные и качественные методы и средства анализа закономерностей эволюции систем прикладного характера, развивающихся в условиях стохастической неопределенности.

9